Počítačové sítě 1 Přednáška č.4 Síťová vrstva

Transkript

1 Počítačové sítě 1 Přednáška č.4 Síťová vrstva

2 Osnova = Síťová vrstva = Funkce síťové vrstvy = Protokoly síťové vrstvy = Protokol IPv4 = Servisní protokol ICMP ISO/OSI 7.Aplikační 6.Prezentační 5.Relační 4.Transportní 3.Síťová 2.Datová 1.Fyzická

3 Síťová vrstva

4 Funkce síťové vrstvy = Zprostředkovává výměnu dat ve formě paketů mezi koncovými zařízeními skrz síť (end-to-end komunikace) = K tomu využívá následující funkce = Adresování = Zapouzdření (encapsulation) = Směrování = Vypouzdřování (decapsulation)

5 Adresování na síťové v. = Koncovým zařízením jsou v síti přiděleny jedinečné síťové adresy = Takto označené zařízení v síti se nazývá HOST = Adresy slouží ke směrování paketů skrz síť a k jednoznačné identifikaci hosta = Formát a tvar adresy je definován konkrétním protokolem síťové vrstvy Protokol Příklad adresy IPv IPv6 IPX 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 BC-3D-15-A DE-C0-25-ED AppleTalk 53.24

6 Zapouzdření - Encapsulation = Síťová vrstva přijímá od transportní vrstvy segment/datagram = K němu přidává svojí hlavičku a tím vytváří paket = Formát hlavičky paketu je definován konkrétním síťovým protokolem = Součástí hlavičky paketu je mimo jiné i zdrojová a cílová adresa (adresa odesilatele a adresa příjemce paketu) = Paket je následně předán Data-linkové vrstvě pro přípravu na přenos po konkrétním médiu

7 Směrování = Komunikující zařízení se nemusejí nacházet ve stejné sítí = Paket je zapotřebí přenést do sítě v níž se nachází příjemce paketu = K propojení sítí se používá zařízení Směrovač (Router), které na základě směrovací tabulky a cílové adresy z hlavičky paketu vybírá nejlepší možnou cestu skrz síť = Paket může cestou k cíli projít několika směrovači, každý takový skok se nazývá HOP = Obsah paketu (segment/datagram) zůstává nezměněn

8 Směrování

9 Vypouzdření - Decapsulation = Síťová vrstva obdrží paket od data-linkové vrstvy = Poté příslušný protokol ověří zda je cílová adresa obsažená v hlavičce paketu shodná se síťovou adresou daného hosta = Pokud ANO znamená to, že daný paket je určen pro tohoto hosta = Paket je dále zpracován tak, že je mu oříznuta hlavička síťového protokolu a zbytek (segment/datagram) je odevzdán transportní vrstvě = Pokud NE znamená to, že daný paket je určen pro jinou stanici a paket je dále směrován nebo zahozen

10 Protokoly síťové vrstvy = Na síťové vrstvě mohou být implementovány různé protokoly, které uvádí následující tabulka = Nejrozšířenějším protokolem je IPv4 (Internet protocol version 4) Protokol Standard IPv4 RFC 791 IPv6 RFC 2460 Novell Internetwork Packet Exchange (IPX) AppleTalk Connectionless Network Service (CLNS/DECNet) proprietární proprietární proprietární

11 Internet Protocol v4 IPv4

12 Vlastnosti protokolu IPv4 = Součástí protokolové sady TCP/IP = Zpracován zejména v RFC 791 = = Používán ve většině lokálních sítí = Navržen jako protokol s nízkou režií (low overhead) = Hlavička IPv4 paketu má pouze 20Byte = Nespojově orientovaný protokol (connection less) = Nevytváří spojení před odesláním paketu = Nedokáže garantovat doručení paketů- nespolehlivý (best effort) = Díky data-linkové vrstvě nezávislý na typu použitého média (media independent) = K adresování používá 32-bitové IPv4 adresy

13 Nespojová orientace = Před samotným přenosem paketu protokol IPv4 nevytváří žádné spojení = Díky tomu odpadá režie s vytvářením, udržováním, řízením a ukončováním spojení a není potřeba tolik řídících informací v hlavičce paketu (pouze 20B) = Důsledky nespojově orientovaného chování = Odesilatel neví, zda je příjemce (někde) na síti dostupný = Odesilatel se nedozví, zda byl paket příjemci doručen (neztratil se) = Odesilatel neví, zda si paket příjemce přečetl = Příjemce dopředu neví, zda a kdy paket obdrží = Nevýhodou je, že odesilatel neví, v jakém pořadí pakety přijdou = IPv4 tuto kontrolu přenechává protokolu transportní vrstvy TCP

14 IPv4 nespolehlivý protokol = Pakety doručuje tzv. metodou best effort (maximální úsilí) = Avšak bez garance doručení paketu příjemci = Nespolehlivý protokol = Neimplementuje mechanismus potvrzování paketů = Díky tomu přenáší méně řídících informací (hlavička jen 20B) = To zvyšuje propustnost sítě = Nevýhoda: nelze zjistit zda nedošlo k výpadku nějakého paketu = Řízení přenosu a potvrzování přenechává opět protokolu TCP

15 Nezávislost na médiu = Nezávislost na médiu - Media independency = IP paket lze přenášet po = Metalickém médiu = Optickém médiu = Atmosférou = Odstínění závislosti na médiu přenechává data-linkové vrstvě (L2) = Jediná záležitost síťové vrstvy s ohledem na typ média je MTU = MTU Maximum transfer unit = Parametr jež označuje maximální povolenou velikost PDU = MTU pro L2 rámec je různé pro různý typ média = Pokud je MTU paketu větší než MTU rámce (do kterého je daný paket balen) musí dojít k fragmentaci = Fragmentace je rozdělení paketu na menší části, tak aby splňovaly MTU limit rámce. Na druhé straně přenosu se musí opět spojit. = Tato operace je s ohledem na počet paketů náročná na výpočetní zdroje

16 Hlavička protokolu IPv4 = Version pro protokol IPv4 0100, pro IPv = IHL udává délku hlavičky v čtyřbajtech = Defaultní hodnota 0101 (20B), maximální hodnota a velikost hlavičky 1111 (60B) = Type of Service označuje prioritu paketu, např. pro IP telefonii = Total Length celková (i s aplikačními daty) velikost paketu v bajtech = Maximální hodnota je 2B => Max. velikost paketu je bajtů

17 Hlavička protokolu IPv4 = Identification využití pro identifikaci části paketu při fragmentaci = Flags 3 bitové pole využívané při fragmentaci, obsahuje bity 0,DF,MF = DF bit (Don t fragment) pokud je nastaven na 1 je fragmentace paketu zakázána = MF bit (More fragments) pokud je nastavena na 1, následují další fragmenty = Fragment offset označuje polohu fragmentu v původním paketu = Pokud fragmentace není použita, všechny bity jsou vynulované

18 Hlavička protokolu IPv4 = Time to Live slouží k omezení nekonečného putování paketu po síti = Max. hodnota je 255. Každým průchodem směrovačem (nebo obecně zařízením pracujícím na 3. síťové vrstvě) se snižuje o jedničku. = Pokud hodnota dosáhne 0, zařízení takový paket zahodí a odesílatele na to tuto skutečnost upozorní pomocí protokolu ICMP = Protocol číselně označuje protokol vyšší (transportní) vrstvy, kterému je segment přidán. (TCP má 6, UDP má 17, ICMP má 1)

19 Hlavička protokolu IPv4 = Header Checksum kontrolní součet celé hlavičky paketu = Protože směrovače při průchodu paketu snižují jejich TTL, je nutné zároveň přepočítat i checksum = Source Address 32-bitová IPv4 adresa odesilatele = Destination Address 32-bitová IPv4 adresa příjemce paketu

20 Adresa protokolu IPv4 = Adresa protokolu IPv4 je tvořena čtyřmi osmibitovými poli (oktety) = Celkem tedy 32-bitů = Každý oktet tedy nabývá dekadických hodnot <0 ;255> = Je to unikátní identifikátor zařízení v rámci sítě = IP adresa má hierarchickou strukturu = Je tvořena síťovou + hostitelskou částí adresy = Hranici mezi síťovou a hostitelskou částí je dána maskou = Jedničky v binárním tvaru masky označují síťovou část a nuly hostitelskou část = Síťová část adresy je stejná pro všechna zařízení v jedné síti a jednoznačně určuje do které sítě host náleží = Hostitelská část je v rámci jedné sítě unikátní

21 Síťová a broadcastová adresa = Maska sítě = Má stejný tvar jako IP adresa (32-bitů ve 4 oktetech) = Udává hranici mezi síťovou a hostitelskou částí adresy = Pozice hranice mezi částmi určuje velikost adresního rozsahu sítě (jak velký počet adres obsahuje) = Lze ji také zapsat = Ve formátu IP adresy: = Nebo pouze jako počet jedniček v masce: /24 = Adresa sítě odkazuje síť jako celek = V hostitelské části adresy je tvořena binárními nulami = Tuto adresu nesmí mít žádné konkrétní zařízení v síti = Vzniká operací binární AND nad IPv4 adresou a maskou = Protože odkazuje na celou síť, je používána při směrování Binární AND = = Broadcastová (všesměrová) adresa odkazuje na všechna aktivní zařízení v dané síti = V hostitelské části adresy je tvořena binárními jedničkami = Tuto adresu nesmí mít žádné konkrétní zařízení v síti = Pokud je na tuto adresu odeslán paket, obdrží ho všechna (zapnutá) zařízení v síti

22 Výpočet adres Dekadický tvar Binární tvar IPv4 Adresa Maska Adresa sítě (Binární AND) Broadcastová adresa

23 Třídy IPv4 adres = IP adresa obsahuje část síťovou a část hostovou v různých formátech = Počet bitů, které identifikují síť, a počet bitů, které identifikují hosta, se liší podle třídy adresy: = Třída A první bit je nulový, 7 bitů síťová část, 24 bitů hostitelská část = První oktet adresy je menší než 128 = Třída B první dva bity 10, 14 bitů síťová část, 16 bitů hostitelská část = Tzn. první oktet adresy je v rozsahu = Třída C - první tři bity 110, 21 bitů síťová část, 8 bitů hostitelská část = Tzn. první oktet adresy je v rozsahu = Třída D - první čtyři bity 1110, vyhrazeno pro multicastovou komunikaci = Tzn. první oktet adresy je v rozsahu = Třída E - první čtyři bity 1111, vyhrazeno pro experimentální účely = Tzn. první oktet adresy je v rozsahu

24 = Grafické znázornění tříd A, B a C Třídy IPv4 adres

25 Privátní IPv4 adresy = Ve třídách A, B a C byly vyhrazeny rozsahy adres pouze pro privátní (neveřejné) použití = Ve třídě A , maska nebo /8 = Obsahuje celkem unikátních adres = Ve třídě B , maska nebo /10 = Obsahuje celkem unikátních adres = Ve třídě C , maska nebo /12 = Obsahuje celkem unikátních adres = Speciální vyhrazenou IPv4 adresou je = Jedná se o tzv. loopback (logická smyčka) = Umožňuje posílat pakety sám sobě

26 Veřejné IPv4 adresy = Doplněk k privátním adresám = Poskytují globální dosažitelnost = Správce veřejných IPv4 adres je organizace IANA - Internet Assigned Numbers Authority = IANA přiděluje bloky IPv4 veřejných adres kontinentálním internetovým registrátorům =

27 Podsíťování (subneting) = Kvůli velkému a zbytečnému plýtvání IPv4 adresami byly zavedeny podsítě = doporučení RFC 1517 až 1520 = Radikální změna strategie dělení adresního prostoru (CIDR) = IPv4 adresa se skládá ze = síťové části = identifikátoru podsítě (nově) = hostitelské části = Metoda rozdělení sítě na menší části - podsíťování (subnetting) = Maska podsítě má více jedniček, než maska pro danou třídu = Jedničky lze za určitých podmínek z masky odebírat (nahrazovat zprava nulami), a vytvářet tzv. supersítě (supernetting)

28 Podsíťování (subneting) = Subneting s konstantní délkou masky dovoluje vytvořit z jedné sítě více stejně velkých podsítí = Pro vytvoření podsítě je potřeba si půjčit jeden nebo více bitů z hostitelské části IP adresy = Počet podsítí je vypočítán jako 2 n kde n je počet vypůjčených bitů = Počet adres v podsíti je vypočítán jako (2 s 2), kde s je počet bitů v hostitelské části adresy

29 Podsíťování (subneting) = Subneting s variabilní délkou masky dovoluje vytvořit z jedné sítě více různě velkých podsítí = VLSM Variable-Length Subnet Mask = Masky jednotlivých podsítí se mohou vzájemně lišit = Kalkulace: = Spočítáme celkový počet adresovaných zařízení v síti (koncová zařízení + rozhraní směrovačů) = Určíme počet potřebných podsítí = Pro počet zařízení v každé podsíti hledáme nebližší vyšší mocninu dvou = Tato mocnina vyjadřuje potřebný počet bitů pro hostitelskou část = Alokace adres = Začneme vytvářet podsítě od největších potřebných bloků adres

30 Výpočet pomocí VLSM - příklad 1) Identifikace a celkový počet adresovaných uzlů v síti Daný rozsah Rozhraní směrovače Rozhraní směrovače Síť A 100 zařízení Síť B 50 zařízení Rozhraní směrovačů Celkem = 154

31 Výpočet pomocí VLSM - příklad 2) Určíme počet potřebných podsítí = Pro počet zařízení v každé podsíti hledáme nebližší vyšší mocninu dvou = Tato mocnina vyjadřuje potřebný počet bitů pro hostitelskou část Síť A 100 zařízení 2 7 = 128 Síť C 2 zařízení 2 2 = 4 Síť B 50 zařízení 2 6 = 64

32 Výpočet pomocí VLSM - příklad = Alokace adres = Začneme vytvářet podsítě od největších potřebných bloků adres = Síť A 100 hostů (max. 126) = Adresa sítě = Maska sítě = Síť B 50 hostů (max. 62) = Adresa sítě = Maska sítě = Síť C 2 hosté (max. 2) = Adresa sítě = Maska sítě

33 Servisní protokol ICMP

34 Protokol ICMP = ICMP Internet Control Message Protocol = Protokol řídích a kontrolních zpráv v internetu = Definován v RFC dokumentu č. 792 = Zapouzdřen v IP paketu = Význam polí v hlavičce ICMP zprávy = Type návratová hodnota zprávy = Code upřesnění návratové zprávy (specifická hodnota pro každý Type) = Checksum kontrolní součet = Další pole (v tomto případě unused) je specifická pro konkrétní Type zprávy

35 Příklady ICMP zpráv = Type 0 odpověď na žádost = Code je vždy 0 = Type 3 cíl je nedostupný = Code 0 nedostupná síť = Code 1 nedostupný host = Code 2 nedostupný protokol = Code 3 nedostupný port = Code 4 - nutnost fragmentace = Code 5 selhání směrovacího pravidla = Type 8 žádost o odpověď

36 Děkuji za pozornost